硬质合金材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,超硬材料与硬质合金,9/21/2024,1,超硬材料与硬质合金概述,金刚石和立方氮化硼的结构与性能,人工合成金刚石的原理与工艺,立方氮化硼(CBN)的合成,硬质合金的性能及生产,主要内容：,主要参考资料：,1.万隆,陈石林,刘小磐编著.超硬材料与工具,化学工业出版社.,2.,王光祖主编.超硬材料, 河南科技出版社 .,3.王松顺.人造金刚石工艺学,机械工业部磨料磨具磨削研究所.,4.方啸虎.超硬材料科学与技术,上、下卷 中国建材工业出版社.,9/21/2024,2,第1章 概 述,超硬材料,金刚石和硬度接近金刚石的材料(金刚石和立方氮化硼),高强度金刚石微粉,以金刚石或立方氮化硼单晶为原料制取的磨料、聚晶、及与其它材料结合而成的复合材料及制品。,9/21/2024,3,1.1 超硬材料的发展与现状,1.1.1 研究概况,天然金刚石,公元前8世纪在印度发现,18世纪在巴西、澳洲、南非发现,1965年在我国发现,18世纪末研究，法国拉瓦西发现金刚石燃烧后变为气体,1797年英国滕南格研究证实金刚石是碳的同素异形体,9/21/2024,4,主要国家发现金刚石的年代,洲别,国别,发现年代,亚洲,印度,公元前,澳洲,澳大利亚,1851,南美洲,巴西,圭亚那,委内瑞拉,1695,1887,1912,非洲,南非,纳米比亚,安哥拉,扎伊尔,坦桑尼亚,加纳,中非刚果,尼日尔,1867,1908,1907,1913,1913,1919,1931,1934,9/21/2024,5,我国1963年研制成第一颗人造金刚石,人造金刚石,1954年 Hall H.L.(美) 第一颗人造金刚石,1961年 Decarli、Jamieson等 爆炸法,1962年 邦迪 石墨向金刚石直接转变(,无催化剂),1966年 杜邦 冲击-淬灭法,1970年 温托夫等 宝石级金刚石,9/21/2024,6,人造金刚石在工业应用领域发展的五个阶段,20世纪50年代 研制和初建工业阶段,20世纪60年代 开始产业化阶段,20世纪70年代 金刚石磨具迅速发展,20世纪80年代 金刚石锯切工具较快发展,20世纪90年代 全面发展阶段,9/21/2024,7,金刚石的分类方法,分类依据,类别,主要特征和用途,来 源,天然金刚石,宝石级的多用作工艺品，细碎的用于工业生产,人造金刚石,工业生产用(极少量宝石级),晶体类型,单晶体,常见的天然和人造金刚石均属此类,多晶体,生长型,天然与人造的巴拉斯和卡博纳多,烧结型,金刚石粉末超高压高温烧结聚集而成,晶体结构,立方金刚石,面心立方、闪锌矿型，常见,六方金刚石,密排六方、纤锌矿型，罕见,物理性质,型,(普通型),a,型,淡黄色、含片状氮、天然、电绝缘体,b,型,黄色、含弥散状氮、人造、电绝缘体,型,(特殊型),a,型,无色、几乎不含氮、透光导热性好、电绝缘体,b,型,淡蓝色、含极少氮、透光导热性好、半导体,用 途,磨料,各种磨具,其他,钻头、刀具、锯片、其他工具及特殊器件等,9/21/2024,8,立方氮化硼(Cubic Boron Nitride, CBN),目前，在自然界还没有找到这种物质的存在，,是人工合成的一种超硬材料,1957年 Wentorf RH 采用高温高压技术合成了,CBN,9/21/2024,9,1.1.2 超硬材料的发展前景,单晶合成,单晶分选,表面镀覆,聚晶制造,薄膜生长,微晶CBN制备,9/21/2024,10,1.2 材料硬度的表征方法,布氏硬度(Brinell Hardness, HB),表示方法：硬度数值HB球体直径/载荷/载荷保持时间,如：120HB/1000/30,9/21/2024,11,洛氏硬度(Rockwell Hardness, HR),三种标度：标度C(HRC)、标度B(HRB)、标度A(HRA),表示方法：硬度数值HRA,9/21/2024,12,维氏硬度(Vickers Hardness, HV),表示方法：硬度数值HV载荷/载荷保持时间,9/21/2024,13,努氏硬度(Knoop Hardness, HK),表示方法：硬度数值(HK)载荷/载荷保持时间,9/21/2024,14,肖氏硬度(Shore Hardness, HS),表示方法：硬度数值HSC,两种标度：标度C(HSC)、标度D(HSD),9/21/2024,15,宏洛氏硬度(HMR),超微压痕硬度试验,广义硬度试验,(Universal Hardness Test, HU),三棱锥硬度试验,(HD,115,),9/21/2024,16,1.3,超硬材料的结构特征与材料硬度的关系,元素的共价半径,价键,配位结构,晶体的原子结构,材料硬度的大小，主要决定于物质内部结构中原子间结合力的强弱。与,材料的内部结构特征如离子半径、价键、配位数有关。规律如下：,结合力类型相同的材料，其离子半径减小，键力提高，硬度也可提高；,离子电价高，键力提高，硬度也可提高；,质点推挤越紧密，密度越大，硬度越高；,阳离子配位数越高，硬度越高。,9/21/2024,17,1.4 硬质合金,硬质合金(,hardmetal; cemented carbide,),由作为主要组元的难熔金属碳化物和起黏结相作用的金属组成的烧结材料，具有高强度和高耐磨性。,硬质合金是以高,硬度,难熔金属,的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的,粉末冶金制品,。,9/21/2024,18,硬化相,硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，如,碳化钨,、碳化钛、碳化钽，它们的硬度很高，熔点都在2000以上，有的甚至超过4000。另外，过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物也有类似的特性，也可以充当硬质合金中的硬化相。硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性。,粘结金属,一般是铁族金属，常用的是钴和镍。,硬质合金的基体由两部分组成,9/21/2024,19,分类与牌号,钨钴类硬质合金,主要成分是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。,其牌号是由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成。,例如，YG8，表示平均WCo8，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。,WC刀具,9/21/2024,20,钨钛钴类硬质合金,主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）及钴。,其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成。,例如，YT15，表示平均WTi15，其余为碳化钨和钴含量的钨钛钴类,硬质合金。,TIC刀具,9/21/2024,21,钨钛钽（铌）类硬质合金,主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）及钴。这类硬质合金又称通用硬质合金或万能硬质合金。,其牌号由“YW”（“硬”、“万”两字汉语拼音字首）加顺序号组成，如 YW1。,钨钛钽刀具,9/21/2024,22,性能特点,硬度高（8693HRA，相当于6981HRC）；,热硬性好（可达9001000，保持60HRC）；,耐磨性好。,硬质合金刀具比高速钢切削速度高47倍，刀具寿命高580倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高 20150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。,但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。,硬,质,合,金,焊,接,刀,片,9/21/2024,23,烧结成型,硬质合金烧结成型就是将,粉末,压制成坯料，再进烧结炉加热到一定,温度,（烧结温度），并保持一定的时间（保温时间），然后冷却下,来，从而得到所需性能的硬质合金材料。,硬质合金烧结过程可以分为四个基本阶段：,1.脱除成形剂及预烧阶段,2.,固相烧结阶段（800-共晶温度）,3,.液相烧结阶段（共晶温度-烧结温度）,4.,冷却阶段（烧结温度-室温）,9/21/2024,24,思考题,1.常用的材料硬度的表征方法有哪些？,2.硬质合金是怎样烧结而成的？,9/21/2024,25,第2章,金刚石和立方氮化硼的结构与性能,9/21/2024,26,2.1 金刚石的结构,2.1.1 金刚石的原子结构,1. 石墨的结构,9/21/2024,27,石墨晶体是属于混合键型的晶体。石墨中的碳原子用sp,2,杂化轨道与相邻的三个碳原子以键结合，形成正六角形蜂巢状的平面层状结构,而每个碳原子还有一个sp2轨道，其中有一个2p电子。这些p轨道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面，形成了大键。因而这些电子可以在整个碳原子平面上活动，类似金属键的性质。而平面结构的层与层之间则依靠分子间力（范德华力）结合起来；形成石墨晶体。,9/21/2024,28,9/21/2024,29,2. 金刚石的结构,每个碳原子都以sp,3,杂化轨道与四个碳原子形成共价单键，键长为15.5nm，键角为10928，构成正四面体。每个碳原子位于正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上，在空间构成连续的、坚固的骨架结构。,9/21/2024,30,2.1.2 金刚石的晶体结构,1. 立方金刚石的晶体结构,9/21/2024,31,2. 六方金刚石的晶体结构,9/21/2024,32,3. 金刚石晶体中的缺陷,9/21/2024,33,9/21/2024,34,9/21/2024,35,9/21/2024,36,硬度,机械性质,热稳定性,与金属之间的关系,2.2 金刚石的性能,9/21/2024,37,2.3 立方氮化硼的组成、结构和性质,1. 六方氮化硼,2. 菱方氮化硼,2.3.1 六方氮化硼和菱方氮化硼的结构,9/21/2024,38,2.3.2 立方氮化硼和钎锌矿氮化硼的结构,9/21/2024,39,2.3.3 立方氮化硼的性质,物理机械性质,光学性质,电磁性质,化学性质,2.3.4 立方氮化硼和金刚石性质的比较,9/21/2024,40,